DE112020001961T5

DE112020001961T5 - System und verfahren zur lokalisierung von cochlea-implantaten in echtzeit

Info

Publication number: DE112020001961T5
Application number: DE112020001961.6T
Authority: DE
Inventors: Trevor L. Bruns; Robert J. Webster
Original assignee: Vanderbilt University
Current assignee: Vanderbilt University
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US20220193412A1; WO2020215000A1

Abstract

Ein System und Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Implantats, wie z.B. eines Cochlea-Implantats, relativ zu einer Struktur von Interesse, wie z.B. einer Gewebewand. Das Implantat hat eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode. Die Elektrodenanordnung kann in ein elektrisch leitfähiges Volumen relativ zur Innenwand der Scala Tympani der Cochlea eingeführt werden. Ein Impulsgenerator erzeugt einen biphasischen Konstantstromimpuls an der ersten und zweiten Elektrode. Ein Steuergerät misst die Differenzspannung zwischen dem Elektrodenpaar während des Stromimpulses. Das Steuergerät bestimmt die Nähe zwischen der Innenwand und dem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode anhand der Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der US-Provisional-Anmeldung Nr. 62/835,912 mit dem Titel „Electrical Impedance Method For Cochlear Implant Localization“, die am 18. April 2019 eingereicht wurde und deren Inhalt durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin enthalten ist, in Anspruch.
GEBIET DER TECHNOLOGIE
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf die Ortung von Implantaten und insbesondere auf die Verwendung eines elektrischen Echtzeit-Impedanzverfahrens zur Ortung von Cochlea-Implantaten.
STAND DER TECHNIK
Ein Cochlea-Implantat ist ein neuroprothetisches Gerät, das Menschen mit hochgradigem sensorineuraler Schwerhörigkeit das Gehör wiedergeben kann. Ein typisches Cochlea-Implantat besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem externen Soundprozessor, der hinter dem Ohr getragen wird, und dem internen Empfänger/Stimulator, der während eines chirurgischen Eingriffs in die Cochlea implantiert wird. Der Prozessor analysiert den über ein Mikrofon aufgenommenen Schall, wandelt ihn in elektrische Signale um und sendet sie an die Sendespule. Der Sender ist mit der implantierten Empfängerspule gekoppelt, was die drahtlose Übertragung der Signale durch die Haut erlaubt. Diese elektrischen Impulse werden dann an die Elektrodenanordnung in der Cochlea weitergeleitet und stimulieren den Cochlea-Nerv, um die Wahrnehmung von Schall zu erzeugen.
Die Cochlea ist eine kleine, komplizierte, schneckenförmige Struktur, die aus drei mit Flüssigkeit gefüllten Kanälen besteht, die durch dünne Membranen voneinander getrennt sind. Die Elektrodenanordnung des Implantats wird in der Regel in den als Scala Tympani bezeichneten Kanal platziert. Eine optimale Konfiguration besteht darin, die Elektrodenanordnung so zu platzieren, dass jedes Elektrodenpad mit den von ihm stimulierten Nervenenden in Kontakt ist, d. h. entlang des Modiolus gewickelt, wobei die Elektrodenpads nach innen in Richtung des dichten Netzwerks der Spiralganglionneuronen zeigen.
Aufgrund der Spiralform der Kanäle wird das Einführen der Elektrodenanordnung kontinuierlich schwieriger, da die Reibungskräfte zunehmen. Dies führt zu zwei potenziellen Problemen für Cochlea-Implantate: intracochleäres Trauma und/oder unvollständiges Einsetzen.
Ein intracochleäres Trauma ist ein Schaden, der dadurch entsteht, dass die Elektrodenanordnung an der empfindlichen Anatomie im Inneren der Cochlea schabt oder drückt. Die häufigste Ursache für ein solches Trauma ist die interskalare Trennwand, die die Scala Tympani und die Scala Vestubuli trennt. Die interskalare Trennwand besteht aus der knöchernen Spirallamina, der Reissnerschen Membran und der Basilarmembran. Die Basilarmembran hat die wichtige Funktion, die eintreffenden Schallwellen in mechanische Schwingungen umzuwandeln, die die Haarzellen bewegen und so die elektrischen Impulse erzeugen, die an den Hörnerv weitergeleitet werden. Experimente haben gezeigt, dass Kräfte von nur 42 mN, die sehr nahe an der vom Menschen wahrnehmbaren Minimalkraft liegen, die interskalare Trennwand zerreißen können. Das bedeutet, dass es trotz größter Sorgfalt durch erfahrene Chirurgen in 25-33 % der Fälle zu einer Verlagerung des Elektrodenfeldes kommt, was zum Verlust des Restgehörs führt.
Unvollständige Einführungen treten aus demselben Grund auf: Die Reibung nimmt zu, bis sie einen Punkt erreicht, an dem die Elektrodenanordnung sie nicht mehr überwinden kann, ohne sich zu verbiegen. Selbst wenn ein Trauma vermieden wird, werden die Sprachergebnisse dennoch negativ beeinflusst. Erstens können bei einer unvollständigen Einführung eine oder mehrere Elektroden außerhalb der Cochlea verbleiben. Im besten Fall werden diese vom Audiologen deaktiviert, wodurch sich die Anzahl der nutzbaren Kanäle verringert. Über die Häufigkeit extracochleärer Elektroden weist eine hohe Dunkelziffer auf. Das zweite Problem besteht darin, dass unvollständige Einfügungen den zugänglichen Frequenzbereich verringern. Nerven in der Nähe des basalen Endes der Cochlea sind für die Wahrnehmung von hochfrequenten Tönen verantwortlich, während sich Wellen mit niedrigeren Frequenzen tiefer ausbreiten, bevor sie Nerven weiter apikal stimulieren. Diese niedrigeren Frequenzen sind insbesonders für die Erkennung von Sprache wichtig.
Ein Problem bei solchen Implantaten ist, dass die Chirurgen derzeit keine Rückmeldung darüber erhalten, ob das Implantat richtig in der Cochlea eingebaut ist. Eine schlechte Positionierung kann dazu führen, dass die Elektroden nicht richtig positioniert werden. Wenn die Elektroden beispielsweise nicht tief genug eingesetzt werden, kann das Cochlea-Implantat kein qualitativ hochwertiges Hören ermöglichen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Elektroden weit von den Nerven entfernt platziert werden. Dies kann zu Nebensignaleffekten zwischen den Elektroden führen und erfordert daher einen hohen Stromverbrauch des Implantats, um die Nerven zu stimulieren. Derzeit können die Chirurgen nicht feststellen, ob die Elektrodenanordnung des Implantats richtig in der Cochlea positioniert ist. Eine Rückmeldung erfolgt derzeit nur, nachdem der Patient verschlossen und das Implantat aktiviert wurde.
Es besteht daher Bedarf an einer Methode zur Bestimmung der Nähe zwischen einer Elektrodenanordnung eines Cochlea-Implantats und biologischem Gewebe im Kanal der Cochlea. Es besteht auch Bedarf an einem System, das eine Echtzeit-Rückmeldung gewährleistet, dass ein Cochlea-Implantat beim Einsetzen in einen Patienten ordnungsgemäß eingesetzt wird. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an genauen Positionssignalen während des automatischen Einsetzens eines Cochlea-Implantats. Es besteht auch Bedarf an einem System zur Bestimmung der endgültigen Elektrodenpositionen auf dem Implantat, um die Programmierung des Cochlea-Systems nach der Implantation zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Beispiel wird ein Ortungssystem für ein Implantat offenbart. Ein Implantat hat eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode. Die Elektrodenanordnung kann in ein elektrisch leitendes Volumen in der Nähe einer Struktur von Interesse in einem Patienten eingesetzt werden. Das System umfasst einen Impulsgenerator, der einen Stromimpuls an der ersten und zweiten Elektrode erzeugt. Ein Steuergerät ist mit der ersten und zweiten Elektrode und dem Impulsgenerator verbunden. Das Steuergerät misst die Differenzspannung zwischen dem Elektrodenpaar während des Stromimpulses. Das Steuergerät bestimmt die Nähe zwischen der Struktur von Interesse und dem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.
Ein weiteres offenbartes Beispiel ist ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Implantats relativ zu einer Struktur von Interesse. Das Implantat hat eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode. Die Elektrodenanordnung wird in der Nähe der zu Struktur von Interesse in ein elektrisch leitendes Volumen eingesetzt. Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode wird ein biphasischer Stromimpuls angelegt. Die Differenzspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode wird gemessen, während der Stromimpuls angelegt wird. Die Nähe zwischen der Gewebewand und dem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode wird auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bestimmt.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr stellt die vorstehende Zusammenfassung lediglich ein Beispiel für einige der hier dargelegten neuen Aspekte und Merkmale dar. Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung repräsentativer Ausführungsformen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich sein.
Figurenliste
Die vorliegende Technologie wird beispielhaft und nicht einschränkend in den Abbildungen der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf ähnliche Elemente beziehen, einschließlich:

ist eine Ansicht der inneren und äußeren Komponenten eines Cochlea-Implantatsystems gemäß einer Ausführungsform;
ist eine Schnittansicht des Cochlea-Implantatsystems aus , das in ein Ohr eingesetzt ist;
ist eine perspektivische Ansicht des Cochlea-Implantats des Systems von , das gemäß einer Ausführungsform in die Cochlea eingesetzt wird;
ist eine Schnittansicht des Cochlea-Implantats des Systems von , das in die Cochlea eingesetzt ist;
ist eine vergrößerte Ansicht der Elektrodenanordnung des Cochlea-Implantats in ;
ist ein Beispiel für ein Mehrkanal-Implantatortungssystem, das die Position eines Cochlea-Implantats in einem Ohr während des Implantationsverfahrens bestimmt;
ist ein Schaltplan der Komponenten des Implantatortungssystems, das mehrere Kanäle der Elektrodenanordnung verwendet;
ist ein elektrisches Ersatzschaltbild der Elektroden-Elektrolyt-Schnittstelle gemäß den Prinzipien des Beispielsystems;
ist eine Reihe von Diagrammen, die Eingangs- und Ausgangssignale und ermittelte Werte des Ortungssystems in zeigen;
ist ein Querschnitt durch die Elektrodenanordnung eines Cochlea-Implantats und den durch das Ortungssystem in ermittelten Bereich;
ist ein Schaltplan eines weiteren Beispiel eines Impulsgenerators für ein Ortungssystem für eine Elektrodenanordnung eines Cochlea-Implantats; und
ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Implantats, wie z. B. eines Cochlea-Implantats, während der Implantation.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevor die vorliegende Technologie in mehr Detail beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die Technologie nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt ist, die variieren können. Es ist auch zu verstehen, dass die in dieser Offenlegung verwendete Terminologie nur zur Beschreibung der hierin erörterten besonderen Beispiele dient und nicht als einschränkend gedacht ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf verschiedene Beispiele, die ein oder mehrere gemeinsame Merkmale und/oder Eigenschaften aufweisen können. Es versteht sich, dass ein oder mehrere Merkmale irgend eines Beispiels mit einem oder mehreren Merkmalen eines anderen Beispiels oder anderer Beispiele kombiniert werden können. Darüber hinaus kann jedes einzelne Merkmal oder jede Kombination von Merkmalen in einem der Beispiele ein weiteres Beispiel darstellen.
Das offengelegte System und Verfahren sind auf die Lokalisierung eines Implantats, wie z. B. eines Cochlea-Implantats, während des Implantationsverfahrens ausgerichtet, um die korrekte Platzierung des Implantats in Bezug auf eine biologische Struktur von Interesse in einem elektrisch leitenden Volumenbereich zu ermöglichen. Ein Beispiel für eine biologische Struktur von Interesse kann eine Gewebewand sein, wie z. B. ein innerer Scala Tympani-Kanal in der Cochlea. Das Volumen des inneren Scala-Tympani-Kanals ist mit einer elektrisch leitfähigen Perilymphflüssigkeit gefüllt. Ein Stromimpuls wird an zwei Elektroden der Elektrodenanordnung des Cochlea-Implantats angelegt. Die von den Elektroden gemessene Spannungsdifferenz steht im Zusammenhang mit dem Flüssigkeitsvolumen zwischen den Elektroden und der Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals der Cochlea und damit der Nähe der Elektroden zur Innenwand. Der ermittelte Abstand kann zur Korrektur der Position der Elektrodenanordnung verwendet werden, um ein intracochleäres Trauma zu vermeiden. Die Positionsdaten können auch verwendet werden, um ein unvollständiges Einsetzen des Elektrodenarrays in die Cochlea zu vermeiden.
zeigt die Komponenten eines Cochlea-Implantatsystems 100 in einer Ausführungsform, die zur Bestimmung der Position einer Elektrodenanordnung eines Implantats in der Cochlea verwendet werden kann. Das Cochlea-Implantatsystem 100 umfasst eine externe Komponente 102 und ein internes Implantat 104. Die externe Komponente 102 und das interne Implantat 104 sind in getrennt von einem Ohr 106 des Patienten dargestellt. Elemente der externen Komponente 102 und des internen Implantats 104 sind in ebenfalls in das Ohr 106 eines Patienten eingesetzt dargestellt. Das interne Implantat 104 wird bei einem chirurgischen Eingriff in den Kopf des Patienten in der Nähe des Ohrs 106 eingesetzt. Wie noch erläutert wird, kann ein Ortungssystem während des Implantationsverfahrens elektrisch mit dem internen Implantat 104 gekoppelt werden, um das interne Implantat 104 richtig zu positionieren. In diesem Beispiel kann das Ortungssystem während des Implantationsvorgangs drahtlose Signale an das interne Implantat 104 senden und empfangen. Alternativ können Drähte und ein geeigneter Gegenstecker verwendet werden, um Signale vom Ortungssystem an das interne Implantat 104 zu senden und zu empfangen, und die Drähte und der Stecker können entfernt werden, wenn das interne Implantat 104 ordnungsgemäß in den Patienten implantiert ist.
Die externe Komponente 102 umfasst einen Sender 110, einen externen Magneten 112 und ein Kabel 114. Das Kabel 114 verbindet den Sender 110 mit einem Elektronikmodul 120. Das Elektronikmodul 120 umfasst ein Sprachprozessormodul 122 und ein Mikrofon 124. Das Elektronikmodul 120 verfügt über einen Haken 126, mit dem das Elektronikmodul 120 am Ohr 106 befestigt werden kann. Der Sender 110 wird an dem Bereich des Kopfes direkt über dem Ohr 106 befestigt, indem der Magnet 112 von einem entsprechenden Magneten auf dem internen Implantat 104 angezogen wird. Das Sprachprozessormodul 122 umfasst einen digitalen Signalprozessor (DSP), eine Batterie und andere Elektronik. Schall, der vom Mikrofon 124 aufgenommen wird, wird vom DSP verarbeitet und in Signale umgewandelt, die über das Kabel 114 an den Sender 110 gesendet werden. Der Sender 110 enthält eine Spule, die die verarbeiteten Signale durch die Haut des Kopfes des Patienten an das interne Implantat 104 überträgt.
Das interne Implantat 104 umfasst eine Empfangsantenne 130, einen internen Magneten 132, einen Empfänger 134 und eine Elektrodenanordnung 136 mit äußeren Elektroden 138. Die Elektrodenanordnung 136 umfasst eine distale Spitze 140 und ein proximales Steckerende 142, das mit dem Empfänger 134 verbunden ist. Eine optionale Erdleitung 144 kann in einen Muskel in der Nähe des Ohrs 106 eingeführt werden. Die Elektrodenanordnung 136 ist flexibel und kann aufgerollt werden, um in die Kanäle einer Cochlea 150 ( des Ohrs 106 eingeführt zu werden. Die Elektrodenanordnung 136 umfasst die Elektroden 138, die entlang der Außenseite der Elektrodenanordnung 136 in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind. Signale vom Empfänger 134, die den vom Mikrofon 124 empfangenen Schall darstellen, werden an die Elektroden 138 der Elektrodenanordnung 136 übertragen. Die Elektroden 138 können die Nerven stimulieren, die die Innenwände des Kanals der Cochlea 150 auskleiden, und so den empfangenen Schall nachbilden. Wie in dargestellt, wird das interne Implantat 104 über dem Ohr 106 implantiert, wo sich die Empfangsantenne 130 in der Nähe des Senders 110 befinden kann. Der Sender 110 wird in der Nähe der Empfangsantenne 130 durch den externen Magneten 112 fixiert, der von dem internen Magneten 132 angezogen wird.
Wie in gezeigt, leitet das Ohr 106 Schall zu einer Cochlea 150. und sind perspektivische Ansichten und Schnittansichten der in die Cochlea 150 eingesetzten Elektrodenanordnung 136. Die Cochlea 150 umfasst einen Scala-Tympani-Kanal 152 und einen Scala-Vestubuli-Kanal 154. Eine interskalare Trennwand 156 trennt den inneren Scala-Tympani-Kanal 152 und den Scala-Vestubuli-Kanal 154. Die interskalare Trennwand 156 umfasst einen knöchernen Spirallamellenkanal 158 und eine Basilarmembran 160. Das Innenvolumen des Scala-Tympani-Kanals 152 ist mit Perilymphflüssigkeit gefüllt.
Wie in den und dargestellt, wird die Elektrodenanordnung 136 in den Scala-Tympani-Kanal 152 der Cochlea 150 eingeführt. Der Cochlea-Nerv sowie das Spiralganglion befinden sich innerhalb der Cochlea 150. Es ist bevorzugt, dass die Elektroden 138 der Elektrodenanordnung 136 so nahe wie möglich an einer Innenwand 162 des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 platziert werden. Wie noch zu erläutern sein wird, kann die Elektrodenanordnung 136 mit einem Ortungssystem verbunden sein, um die richtige Platzierung in der Cochlea 150 zu unterstützen. Jede der Elektroden 138 ist mit einem Draht verbunden, der von der Elektrodenanordnung 136 umschlossen ist. Jeder der Drähte, die mit den Elektroden 138 verbunden sind, ist über das proximale Steckerende 142 mit dem Empfänger 134 verbunden.
ist eine vergrößerte Ansicht der Elektrodenanordnung 136 vor dem Einsetzen in die Cochlea 150. Die Elektroden 138 umfassen eine Reihe von Einzelelektroden 210, 212, 214, 216 und 218 in der Nähe der Spitze 140. Die Elektrodenanordnung 136 umfasst einen zusätzlichen Satz von sieben Elektrodenpaaren 220, 222, 224, 226, 228, 230 und 232.
Wie noch zu erläutern sein wird, liefert das Ortungssystem Stromimpulse an vier Kanäle, die durch Elektrodenpaare 210, 212, 214, 216 und 218 definiert sind, um die Position der Elektrodenanordnung 136 zu bestimmen, wenn sie in den inneren Scala-Tympani-Kanal 152 eingesetzt ist. Die Spannungsdifferenzen für jeden der Kanäle werden gemessen, um die Nähe zwischen einem Segment der Elektrodenanordnung 136 zwischen den Elektroden des Kanals und der Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 zu bestimmen. So wird in diesem Beispiel ein erster Kanal 240 durch eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 210 und 212, ein zweiter Kanal 242 durch eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 212 und 214, ein dritter Kanal 244 durch eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 214 und 216 und ein vierter Kanal 246 durch eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 216 und 218 definiert.
Bei der Elektrodenanordnung 136 in diesem Beispiel handelt es sich um eine Elektrodenanordnung der FLEX-Serie, die von MED-EL in Innsbruck, Österreich, hergestellt wurde. Natürlich kann jede geeignete Elektrodenanordnung eines Implantats die hier offengelegten Prinzipien anwenden. In diesem Beispiel umfasst die Elektrodenanordnung 136 12 Elektroden 138, es ist jedoch denkbar, dass mehr oder weniger Elektroden verwendet werden können.
ist ein Blockdiagramm eines Ortungssystems 300 zur Positionsbestimmung der Elektrodenanordnung 136 außerhalb des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 durch die Elektroden 138, wie in den gezeigt. Das Ortungssystem 300 umfasst eine Mikrocontrollereinheit 310. In diesem Beispiel kann die Mikrocontrollereinheit 310 der Mikrocontroller des Teensy 3.2-Entwicklungskits sein, das von PJRC.COM, LLC, hergestellt wird, aber jede geeignete Verarbeitungsvorrichtung, wie ein Mikrocontroller, ein Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare logische Schaltung (PLD), eine feldprogrammierbare logische Schaltung (FPLD), eine feldprogrammierbare Gatter Schaltung (FPGA), eine diskrete Logik oder Ähnliches kann verwendet werden.
Die Mikrocontrollereinheit 310 ist mit einer Impulserzeugungsschaltung 312 gekoppelt. Die Impulserzeugungsschaltung 312 verfügt über einen einzigen Ausgang, der zweiphasige Konstantstromimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, die in diesem Beispiel von der Mikrocontrollereinheit 310 gesteuert wird. Die Impulse werden in einen Multiplexer 314 eingegeben, der das Impulssignal an verschiedene, von der Mikrocontrollereinheit 310 ausgewählte Kanäle weiterleitet. Die Stromimpulseingänge werden vom Multiplexer 314 so ausgewählt, dass sie an verschiedene Elektrodenpaare der Elektrodenanordnung 136 angelegt werden, die verschiedenen Kanälen entsprechen. Die Elektroden der Elektrodenanordnung 136 befinden sich in den in der Nähe der Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152. Die Perilymphflüssigkeit, die diesen Abstand füllt, wird durch einen Zugangswiderstand 316 dargestellt. Die Spannungsdifferenz zwischen den ausgewählten Elektroden wird vom Multiplexer 314 an einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 318 weitergeleitet. In diesem Beispiel ist der A/D-Wandler 318 in die Mikrocontrollereinheit 310 integriert. Der Ausgang des A/D-Wandlers 318 wird in eine interne Verarbeitungseinheit 324 der Mikrocontrollereinheit 310 eingegeben.
In diesem Beispiel veranlasst der Mikrocontroller 310, dass ein zweiphasiger Stromimpuls von der Impulserzeugungsschaltung 312 angelegt wird, und sammelt die Ausgangsspannungssignale während der Dauer der positiven Phase des zweiphasigen Impulses. Der Mikrocontroller 310 bestimmt die Spannungsdifferenz zwischen den ausgewählten Elektroden während der positiven Phase des Impulses. Der Mikrocontroller 310 führt in diesem Beispiel eine Routine aus, um vier verschiedene Kanäle von Elektrodenpaaren wie die Kanäle 240, 242, 244 und 246 in zu durchlaufen. Die gesammelten Spannungsdifferenzdaten werden in Impedanzdaten umgewandelt und an einen Computer 320 gesendet, der die gesammelten Impedanzdaten analysiert, um die Position der Elektrodenanordnung 136 relativ zur Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 der Cochlea 150 zu bestimmen. Als Teil dieser Analyse kann ein Modul für künstliche Intelligenz 322 verwendet werden. Die sich daraus ergebende Echtzeit-Position des Implantats kann verwendet werden, um den Chirurgen bei der Manövrierung der Elektrodenanordnung 136 in der Cochlea 150 zu unterstützen.
ist ein Blockdiagramm eines Mehrkanal-Messsystems 400, das die in gezeigte Mikrocontrollereinheit 310, den Impulsgenerator 312 und den Multiplexer 314 umfasst. Das System 400 umfasst einen batteriebetriebenen Spannungsregler 402, der den Mikrocontroller 310, den Impulsgenerator 312 und den Multiplexer 314 mit Strom versorgt. In diesem Beispiel wird das System 400 über eine Batterie und nicht über eine externe Stromquelle, z. B. über einen USB-Anschluss, mit Strom versorgt, um eine saubere Stromquelle bereitzustellen und elektrische Störungen zu reduzieren. Das System 400 umfasst eine Schnittstellenkomponente 404, um die Signalschnittstelle mit der Elektrodenanordnung 136 während der Positionierung des Implantats 104 bereitzustellen. Eine OLED-Schaltung 406 ist mit dem Mikrocontroller 310 gekoppelt, um den Betriebsstatus anzuzeigen. Eine Batterieüberwachungsschaltung 408 ist mit dem Mikrocontroller 310 gekoppelt, um sicherzustellen, dass die Batteriequelle ausreichend Strom liefert.
Die Schnittstellenkomponente 404 umfasst einen Zwölf-Kanal-Konnektor 410, der mit den Elektroden 138 der Elektrodenanordnung 136 korrespondiert. Die Eingangsstromsignale und Ausgangsspannungsdifferenzsignale zu und von den Elektroden 138 auf der Elektrodenanordnung 136 werden drahtlos über den Konnektor 410 zum und vom Empfänger 130 des internen Implantats 104 in den übertragen. Die Eingangs- und Ausgangssignale des Konnektors 410 sind mit zwölf bidirektionalen Eingängen/Ausgängen 412 des Multiplexers 314 verbunden. Die Auswahleingänge des Multiplexers 314 zur Auswahl der spezifischen Ein-/Ausgänge 412 werden durch eine Reihe von Steuereingängen 414 des Mikrocontrollers 310 gesteuert. Der Multiplexer 314 umfasst auch wählbare Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 416 und 418, die mit den spezifischen Eingängen/Ausgängen 412 verbunden werden können. Die Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 416 und 418 sind so verbunden, dass sie den vom Impulsgenerator 312 erzeugten Stromimpuls empfangen und entsprechende gemessene Differenzspannungen der Elektroden 138 von den Eingängen/Ausgängen 412 ausgeben.
In diesem Beispiel erzeugt die Impulsgeneratorschaltung 312 die positive Phase des Stromimpulszyklus durch den Empfang eines Freigabesignals an einem Freigabeausgang 420 vom Mikrocontroller 310. Das Freigabesignal vom Ausgang 420 ist mit dem Gate eines N-Typ-MOSFET 422 gekoppelt. Die Quelle des MOSFET 422 ist mit der Erde verbunden und der Drain mit einem Widerstand, der mit der Spannungsquelle (der Batterie) verbunden ist. Eine Konstantstromquelle 424 ist zwischen der Spannungsquelle und dem Drain eines P-Typ-MOSFET 426 angeschlossen. Der Drain des MOSFET 422 ist auch mit dem Gate des MOSFET 426 gekoppelt. Der MOSFET 426 ist in Reihe mit einem weiteren N-Typ-MOSFET 428 gekoppelt.
Der Impulsfreigabeausgang 420 ist mit dem Gate des MOSFET 422 verbunden. Das Signal vom Impulsfreigabeausgang 420 zieht das Signal am Gate des MOSFET 422 hoch. Das Freigabesignal schaltet somit den MOSFET 422 ein und verbindet die Konstantstromquelle 424 über den MOSFET 426, um einen konstanten Strom von 100 µA in diesem Beispiel zu liefern. Ein kurzer Freigabeausgang 430 des Mikrocontrollers 310 ist mit dem Gate des MOSFET 428 gekoppelt, der zwischen den Anschlüssen 416 und 418 gekoppelt ist. Wenn der Impuls über den Freigabeausgang 420 aktiviert wird, wird der Kurzfreigabeausgang 430 auf einen niedrigen Wert gezogen, um die beiden ausgewählten Elektroden elektrisch kurzzuschließen. Er wird erst nach Beendigung eines Impulses aktiviert, um sicherzustellen, dass die Spannung zwischen den ausgewählten Elektroden Null ist, bevor der nächste Impuls beginnt. Andernfalls würden die während des nächsten Impulses gemessenen Spannungen durch eine Restspannung „voreingenommen“ sein, was zu ungenauen Ergebnissen führen würde. Der Strom fließt durch den MOSFET 426 zum Anschluss 416 des Multiplexers 314, der über einen der Ein-/Ausgänge 412 an die entsprechende Elektrode der Elektrodenanordnung 136 ausgegeben wird.
So verbindet der MOSFET 426 den Strom von der Stromquelle 424 mit einer Elektrode wie der Elektrode 210 des ersten Kanals 240 auf der Elektrodenanordnung 136 in , die als Anode wirkt. Der Strom fließt durch die Perilymphflüssigkeit im inneren Scala-Tympani-Kanal 152 der Cochlea 150 in den zu der anderen Elektrode 212, die Teil des ersten Kanals 240 ist. Der Strom fließt dann von der Elektrode 212 durch den Anschluss 418, der mit der Erde verbunden ist, um den Stromkreis zu schließen.
Die Spannungsdifferenz zwischen den ausgewählten Elektroden 210 und 212 ist in diesem Beispiel eine Funktion des variablen Zugangswiderstands 316 der Flüssigkeit im Abstand zur Kanalwand. Die Differenzspannung wird über das Ausgangssignal des Anschlusses 416 gemessen. Der Anschluss 416 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 440 verbunden. Der Operationsverstärker 440 ist als Spannungsfolger konfiguriert, um Leckstrom zu limitieren und als Signalpuffer zu dienen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 440 ist mit dem Eingang 442 eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) am Mikrocontroller 310 verbunden. Während der Erzeugung des positiven Stromimpulses tastet der Mikrocontroller die Differenzspannung vom ADC-Eingang 442, die die Differenzspannung des gemessenen Kanals darstellt, mehrfach ab. Wie oben erläutert, handelt es sich bei den Elektroden 220, 222, 224, 226, 228, 230 und 232 in 2C um Doppelelektroden mit einem Kontakt sowohl an der Innen- als auch an der Außenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152. Diese Elektroden werden in diesem Beispiel nicht verwendet, da, wenn sich die eine Seite einer Wand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 nähert, was normalerweise Ra erhöht, die andere Seite entfernt sich von der gegenüberliegenden Wand, was den gewünschten Effekt stark verringert.
Die Erzeugung der negativen Phase des Stromimpulses wird dadurch ausgelöst, dass der Mikrocontroller 310 den MOSFET 422 für eine kurze Zeit ausschaltet. Der Mikrocontroller 310 sendet dann ein Steuersignal an den Multiplexer 314, um die Elektroden, an die die Anschlüsse 416 und 418 angeschlossen sind, umzukehren. So ist in diesem Beispiel der Anschluss 416 mit der Elektrode 212 verbunden, während der Anschluss 418 mit der Elektrode 210 verbunden ist. Der Mikrocontroller 310 schaltet dann den MOSFET 422 ein, wodurch ein negativer Stromimpuls zwischen den umgekehrten Elektroden 210 und 212 von der Stromquelle 424 erzeugt wird.
Der Mikrocontroller 310 kann jeden Kanal der Elektrodenanordnung 136 zyklisch durchlaufen und den Prozess der Erzeugung eines Stromimpulszyklus und der Aufzeichnung von Spannungsdifferenzwerten während der positiven Phase des Zyklus wiederholen. In diesem Beispiel kann der Mikrocontroller 310 die vier Kanäle 240, 242, 244 und 246 in durchlaufen, es können aber auch weniger oder mehr Kanäle verwendet werden. Darüber hinaus können die Kanäle durch jede beliebige Elektrode auf der Elektrodenanordnung 136 definiert werden. Beispielsweise kann ein Kanal durch die Elektrode 210 und die Elektrode 216 definiert werden, falls gewünscht.
In diesem Beispiel erzeugt die biphasische Konstantstromimpulsschaltung 312 Stromimpulse von 100 µs Dauer bei einem konstanten Strom von 100 µA, der von der Stromquelle 424 erzeugt wird. In diesem Beispiel sorgt die Stromquelle 424 für eine Konstantstromregelung und ist eine hochpräzise Mikrostromquelle, z. B. eine REF200-Quelle hergestellt von Texas Instruments. Der Multiplexer 314 regelt die biphasische Impulserzeugung und die Auswahl der einzelnen Elektrodenpaare. In diesem Beispiel ist der Multiplexer 314 ein analoger Zweifach-Multiplexer mit 16 Kanälen (ein ADG726 Gerät, hergestellt von Analog Devices). Es versteht sich, dass spezialisierte Schaltungen wie ein ASIC oder FPGA verwendet werden können, um diese Funktionen auszuführen. In diesem Beispiel nimmt die vom Mikrocontroller 310 ausgeführte Firmware alle 8,5 µs während der positiven Phase des zweiphasigen Stromimpulses Spannungsmessungen vor. Um die effektive Auflösung zu verbessern, werden in diesem Beispiel die Messwerte während 20 aufeinanderfolgender Impulse für jeden Kanal aufgezeichnet und einzeln gemittelt
Wie weiter unten erläutert wird, führt der Mikrocontroller 310 eine Routine zur Anpassung einer Kurve an diese gesammelten Spannungswerte durch, um den tatsächlichen Zugangswiderstand zu schätzen. Anhand der Daten von jedem der Kanäle kann der Computer 320 eine Schätzung der Fläche vornehmen, die durch das Segment zwischen den Elektroden und der Innenwand des Kanals 152 in der Cochlea 150 definiert ist. Die berechnete Fläche ist also proportional zum Abstand zwischen dem Segment und der Innenwand. Die verschiedenen Kanäle stellen daher die jeweiligen Abstände zur Innenwand jedes der Segmente der Elektrodenanordnung 136 dar, die durch die Länge zwischen den Elektroden definiert sind, die den Kanal definieren, wie in gezeigt. Die vom Mikrocontroller 310 ermittelten Zugangswiderstandswerte werden über eine serielle USB-Verbindung an den Computer 320 gesendet, um weitere Berechnungen zur Bestimmung der geschätzten Fläche und der Echtzeit-Positionierung durchzuführen, beispielsweise durch das Modul für maschinelles Lernen 322.
Ein alternatives Mehrkanalsystem kann anstelle des Multiplexers 316 mehrere Impulsgeneratoren ähnlich dem Impulsgenerator 312 in verwenden. In einem solchen System ist jeder der Kanäle, die durch die Elektroden auf der Elektrodenanordnung 136 definiert sind, mit dem Impulsausgang eines der Impulsgeneratoren verbunden. Die Differenzspannungen zwischen den Elektroden können somit simultan für jeden Kanal vom Steuergerät gemessen werden.
5 zeigt ein Ersatzschaltbild 500 eines Elektrodenpaares der Elektrodenanordnung 136 und der Cochlea 150 in . Die Schaltung 500 enthält einen Widerstand 512, der den Zugangswiderstand der Perilymphflüssigkeit darstellt, die die Kanäle der Cochlea 150 füllt. Das Elektrodenpaar wird durch eine Arbeitselektrode 514 und eine Messelektrode 516 dargestellt. Für den ersten Kanal 240 in ist die Arbeitselektrode 514 die Elektrode 210 und die Messelektrode 516 die Elektrode 212. Für den zweiten Kanal 242 ist die Arbeitselektrode 514 die Elektrode 212 und die Messelektrode 516 die Elektrode 214.
Der Zugangswiderstand der mit Perilymphflüssigkeit gefüllten Cochlea 150 korreliert am besten mit der Nähe zum Modiolus des in gezeigten inneren Scala-Tympani-Kanals 152 und dem Elektrodenpaar 514 und 516. Dies ist also der Widerstand der Perilymphflüssigkeit zwischen den bipolaren Elektroden 514 und 516, der mit dem Elektroden-Modiolus-Abstand korreliert ist.
Die anderen äquivalenten elektrischen Elemente in der Schaltung 500 beziehen sich auf die physikalischen Eigenschaften der Elektrodenanordnung 136, die während des Einsetzens der Elektrodenanordnung 136 weitgehend konstant bleiben. So ist eine Impedanz 518 eine Warbug-Impedanz, die den Ionendiffusionsprozess modelliert, ein Kondensator 520 stellt die Doppelschichtkapazität dar, und ein Widerstand 522 repräsentiert den Ladungstransferwiderstand. Die durch den Kondensator 520 dargestellte Kapazität wird durch den dünnen isolierenden Raum zwischen der geladenen Elektrodenoberfläche und den nahe gelegenen Ionen erzeugt. Der durch den Widerstand 522 dargestellte Ladungstransferwiderstand beschreibt den elektrischen Widerstand, der entsteht, wenn Elektronen auf der polarisierten Elektrodenoberfläche in geladene Ionen in der Elektrolytlösung (in diesem Fall Perilymphe) übertragen werden. Zusammengenommen modellieren diese Konditionen die Gesamtimpedanz der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche.
ist eine Sammlung von Schaubildern verschiedener Signale während des Messprozesses des Systems 300. zeigt ein Diagramm 600, das das vom Impulsgenerator 312 erzeugte und an zwei der Elektroden der Elektrodenanordnung 136 angelegte Stromimpulssignal zeigt. Wie im Diagramm 600 dargestellt, umfasst der zweiphasige Stromimpuls einen Zyklus mit einer positiven Phase und einer negativen Phase. Ein Diagramm 610 zeigt die dem Stromimpuls entsprechende Spannungsantwort, gemessen an einem Elektrodenpaar. Wie gezeigt, steigt die Spannungsantwort während der positiven Phase an. Ein Diagramm 620 zeigt die aus den Spannungsmesswerten ermittelte Impedanz während der positiven Phase des Stromimpulses. Ein Diagramm 630 zeigt die linearisierte Anpassung der gemessenen Spannungen mit dem Widerstand und der Kapazität der Elektrodenpadgeometrie.
Die elektrische Impedanz ist das Verhältnis von Spannung und Strom in einem Stromkreis. Für eine Impedanzmessung muss also entweder eine bekannte Spannung oder ein bekannter Strom angelegt und die Reaktion des jeweils anderen gemessen werden. Im Fall der Beispiel-Cochlea-Implantate und des Messsystems 300 wird ein kontrollierter Stromimpuls abgegeben und die Spannungsantwort während des Impulses aufgezeichnet. Ein Impuls mit einer signifikanten Gleichstromkomponente würde ein ionisches Ungleichgewicht erzeugen und den pH-Wert der Perilymphe verändern. Daher wird der ladungsausgeglichene biphasische Impuls vom Impulsgenerator 312 erzeugt, bei dem die Gesamtmenge der in der positiven Stromphase abgegebenen positiven Ladung durch eine gleiche Menge negativer Ladung in der negativen Stromphase ausgeglichen wird.
Der vom Impulsgenerator 312 erzeugte Beispielimpuls ist im Diagramm 600 in dargestellt. Bei den hohen Frequenzen der Cochlea-Implantat-Stimulation ist die Warburg-Impedanz klein. Sie kann vernachlässigt oder als Teil des Ladungsübertragungswiderstands angenommen werden, der durch den Widerstand 522 in dargestellt wird. Die gemessene Spannungsantwort bei Anlegen des Stromsignals im Diagramm 600 ist im Diagramm 610 in dargestellt. Das Spannungssignal beginnt mit einem starken Anstieg, der darauf zurückzuführen ist, dass sich die Doppelschichtkapazitäten zunächst wie Kurzschlüsse verhalten. Das bedeutet, dass die einzige Impedanzkomponente, die in diesem ersten Moment zu sehen ist, der Zugangswiderstand der Perilymphflüssigkeit ist. Der Zugangswiderstand kann daher durch Division des angelegten Stroms durch die unmittelbar nach dem Anlegen des Stroms gemessene Spannung bestimmt werden.
Da der Zugangswiderstand und der Strom konstant sind, ist auch die Anfangsspannung konstant und dient lediglich als Vorspannung für jede zusätzliche Spannung, die durch andere Schaltungselemente erzeugt wird. Da der Strom bis zum Ende der positiven Phase anhält, nimmt die Ladung an den kapazitiven Komponenten zu, wodurch auch die Spannung ansteigt. Dies ist aus dem Diagramm 610 ersichtlich. Der parallele Widerstand/die parallele Kapazität führt dazu, dass die gemessene Spannung einer Standardantwort erster Ordnung folgt, die modelliert werden kann, um den parallelen Widerstand und die parallele Kapazität zu ermitteln, die in durch den Widerstand 522 und den Kondensator 520 dargestellt werden. Die Spannungsmessungen an den Elektroden während der positiven Phase des Stromimpulses werden in Impedanzwerte umgewandelt. Eine Antwort erster Ordnung wird durch Berechnung der Lösung der kleinsten Quadrate des linearisierten Modells angepasst, wie im Diagramm 630 dargestellt.
Da der Parallelwiderstand und die Kapazität, die durch den Widerstand 522 und den Kondensator 520 in dargestellt werden, mit der freiliegenden Oberfläche der Elektrode und den Eigenschaften des Elektroden-/Elektrolytmaterials zusammenhängen, kann davon ausgegangen werden, dass sie für ein gegebenes Elektrodenpaar konstant bleiben. Solche Werte werden für die Näherungsbestimmungen in Bezug auf den Kanal gespeichert. Somit muss das Kalibrierungsverfahren nur einmal für jeden Kanal durchgeführt werden.
Sobald die konstanten Widerstands- und Kapazitätswerte für jeden Kanal kalibriert und gespeichert sind, kann die Nähe zwischen dem Kanalsegment der Elektrodenanordnung 136, das durch die Elektroden, wie z. B. die Elektroden 210 und 212 für den Kanal 240 in , definiert ist, und der Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 der Cochlea 150 bestimmt werden.
zeigt einen Querschnitt der Implantat Anordnung 136 in , das in den inneren Scala-Tympani-Kanal 152 der Cochlea 150 eingesetzt ist. Ein Bereich 700 stellt den Bereich dar, der der bipolaren Impedanz zwischen den Elektroden 216 und 218 entspricht. Der entscheidende Vorteil der bipolaren Messungen besteht darin, dass biologische Einflüsse auf den Stromimpuls auf diesen kleinen Bereich beschränkt sind. Im Gegensatz dazu muss der Strom bei einer monopolaren Konfiguration aus der Cochlea 150 durch den umgebenden Knochen und das Gewebe fließen, bevor er die Senkelektrode erreicht. Die Beziehung zwischen der Fläche 700 und der bipolaren Impedanz kann durch eine Potenzfunktion angenähert werden: $R_{a} (A) {=c}_{1} A^{c2} {+c}_{3}$
wobei Ra der Zugangswiderstand ist (Widerstand des eingeschlossenen Volumens der Perilymphflüssigkeit), c₁, c₂ und c₃ Koeffizienten aus der Modellanpassung des konstanten Widerstands und der Kapazität in sind und A die Fläche 700 ist.
Da der Zugangswiderstand Ra und die Fläche A in einem umgekehrten Verhältnis zueinander stehen, muss der Exponent c₂ negativ sein. Die Konstante c₃ stellt die horizontale Asymptote der Funktion dar, die dem Zugangswiderstand in einem offenen Kanal entspricht, ausgedrückt durch $c 3 = lim_{A \to \infty} R a {(A)}^{n}$
Die Potenzfunktion wird dann linearisiert, indem der natürliche Logarithmus jeder Seite genommen und umgeordnet wird: $Ln (Ra (A) - c_{3}) = c_{2} lnA + {lnc}_{1}$
Die lineare Regression der linearisierten Leistungsfunktion nach der Methode der kleinsten Quadrate wird dann berechnet, um die Werte von c₁ und c₂ zu bestimmen, wobei y = ln((Ra)A - c₃), x = In (A), c₁ = b und c₂ = m. Nach Erhalt der Koeffizienten kann die Potenzfunktion in Bezug auf die Fläche A umgeordnet werden, um das Modell zur Schätzung der Fläche 700 als Funktion des gemessenen Zugangswiderstands zwischen dem Elektrodenpaar zu erhalten: $A = (\frac{R a - c 3}{c 1}) - C 2$
Die Fläche der trapezförmigen Fläche 700 hängt mit der Nähe des Segments zur Innenwand zusammen und kann durch eine maschinelle Lernroutine klassifiziert werden.
ist ein Schaltplan einer beispielhaften Einkanal-Impedanzmessschaltung 800, die in das Ortungssystem 300 in integriert werden kann. Im Gegensatz zu dem Mehrkanalsystem 300 in bestimmt die Messschaltung 800 das Spannungsdifferential von zwei Elektroden 802 und 804. Die Differenzspannungsmessungen während der Anwendung eines zweiphasigen Stromimpulses ermöglichen es einem Mikrocontroller wie dem Mikrocontroller 310 in die Impedanz und damit den Abstand zwischen den Elektroden und einer Gewebewand wie der Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 der Cochlea 150 zu bestimmen. In diesem Beispiel sind die Elektroden 802 und 804 die Elektroden 210 und 212 in , die sich am nächsten an der Spitze 142 der Elektrodenanordnung 136 in befinden, für die robotergestützte Einführung auf der Grundlage der Positionsdaten. Bei anderen Anwendungen, z. B. der manuellen Einführung, können die Elektroden 802 und 804 Elektrodenpaare sein, die weiter von der Spitze 142 in entfernt sind.
Die Messschaltung 800 umfasst zwei Stromquellen 810 und 812, die über eine MOSFETbasierte H-Brücke 814 abwechselnd mit den Elektroden 802 und 804 verbunden sind, um den zweiphasigen Impuls zu erzeugen. Die H-Brücke 814 umfasst vier MOSFETs 820, 822, 824 und 826. Die positive Leitung der Stromquelle 810 ist mit dem Drain des P-Typ-MOSFET 820 verbunden. Die negative Leitung der Stromquelle 810 ist mit der Elektrode 802 einer Elektrodenanordnung wie der Elektrodenanordnung 136 und einem Ende einer Schottky-Diode 830 verbunden. Das andere Ende der Schottky-Diode 830 ist mit dem Drain des N-Typ-MOSFET 822 gekoppelt.
In ähnlicher Weise ist die positive Leitung der anderen Stromquelle 812 mit dem Drain des P-Typ-MOSFET 824 verbunden. Die negative Leitung der Stromquelle 812 ist mit der Elektrode 804 der Elektrodenanordnung 136 und einem Ende einer Schottky-Diode 832 verbunden. Das andere Ende der Schottky-Diode 832 ist mit dem Drain des N-Typ-MOSFET 826 verbunden. Die Drains der MOSFETs 820 und 824 sind über die jeweiligen Schottky-Dioden 834 und 836 mit der Spannungsquelle verbunden.
In diesem Beispiel senden vier digitale Steuerausgänge 840, 842, 844 und 846 des Mikrocontrollers Steuersignale an die Gates der MOSFETs 820, 822, 824 bzw. 826, um den Stromfluss durch das Elektrodenfeld über die Elektroden 802 und 804 zu steuern. So erzeugt der Mikrocontroller einen positiven Zyklus des zweiphasigen Stromimpulses durch Einschalten der MOSFETs 820 und 826 über die Steuerausgänge 840 und 846. Die Stromquelle 810 ist somit so angeschlossen, dass sie einen Stromkreis zwischen der Spannungsquelle und der Erde schließt und somit einen Stromfluss zwischen der Elektrode 802 und der Elektrode 804 erzeugt. Der Mikrocontroller erzeugt den negativen Zyklus des zweiphasigen Stromimpulses, indem er die MOSFETs 820 und 822 ausschaltet und die MOSFETs 824 und 826 über die Steuerausgänge 844 und 846 einschaltet. Die Stromquelle 812 ist somit so angeschlossen, dass sie einen Stromkreis zwischen der Spannungsquelle und der Erde schließt und somit einen Stromfluss zwischen der Elektrode 804 und der Elektrode 802 erzeugt.
Zwei Widerstände 850 und 852 bilden einen Spannungsteiler, der mit dem Gate des MOSFET 820 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstands 852 ist mit dem Kollektor eines Transistors 860 verbunden. Der Ausgang 840 ist über einen Widerstand 862 mit der Basis des Transistors 860 verbunden. Entsprechend bilden zwei Widerstände 854 und 856 einen Spannungsteiler, um ein Spannungssignal an das Gate des MOSFET 824 zu liefern. Das andere Ende des Widerstands 854 ist mit dem Kollektor eines Transistors 864 verbunden. Der Ausgang 844 ist über einen Widerstand 866 mit der Basis des Transistors 864 verbunden. Der Ausgang 842 ist mit einem Widerstand 870 und einem Widerstand 872 mit dem Gate des MOSFET 822 verbunden. Der Ausgang 846 ist mit einem Widerstand 874 und einem Widerstand 876 mit dem Gate des MOSFET 826 verbunden. Da die P-Typ-MOSFETs 820 und 824 eine höhere Spannung benötigen, werden die Steuersignale durch die entsprechenden Transistoren 860 und 864 verstärkt. Die Schottky-Dioden 830 und 832 dienen dazu, die Quellenspannung unter die Spannung der Spannungsquelle zu steuern, damit die MOSFETs 820 und 824 vollständig abgeschaltet werden können. Die Widerstände 852 und 856 können ausgewählt werden, um die Abschaltgeschwindigkeit der MOSFETs 820 und 824 zu verändern.
Die Elektrode 802 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 880 und die Elektrode 804 mit dem nicht-invertierenden Eingang eines anderen Operationsverstärkers 882 verbunden. Die Operationsverstärker 880 und 882 sind in einer Spannungsfolger-Konfiguration angeordnet, um die Ausgangssignale von den jeweiligen Elektroden 802 und 804 zu puffern. Die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 880 und 882 sind in Rückkopplung mit den jeweiligen Ausgängen verbunden. Die Ausgänge der Operationsverstärker 880 und 882 sind mit den Eingängen 884 und 886 eines eingebauten Analog-Digital-Wandlers im Mikrocontroller, wie z. B. dem Mikrocontroller 310 in , verbunden. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers ist ein digitaler Wert für die Differenzspannung zwischen den Elektroden 802 und 804 der Elektrodenanordnung 136. Die Differenzspannungen werden für jeden Impulszyklus erfasst. Die Spannungswerte werden verarbeitet, um den Abstand der Elektrode zur Wand der Cochlea zu bestimmen, wie oben erläutert.
Die offengelegten Prinzipien des oben beschriebenen Systems können sowohl Informationen über die endgültige Platzierungsposition als auch Echtzeit-Rückmeldungen während des Einsetzens der Elektrodenanordnung 136 liefern. Der OLED-Ausgang 408 kann so programmiert werden, dass er den Abstand zwischen der Elektrodenanordnung 136 und der Innenwand des inneren Scala-Tympani-Kanals 152 anzeigt. Dies ermöglicht es dem Chirurgen, die Elektrodenpositionen sofort zu korrigieren oder die Elektrodenanordnung 136 während des Implantationsverfahrens herauszuziehen und es erneut zu versuchen. Beispielsweise können Farben anzeigen, ob der Abstand ausreichend ist, so dass der Chirurg die Positionierung der Anordnung 136 während des Einsetzens anpassen kann.
Um eine zuverlässige Echtzeit-Lokalisierung der Elektrodenanordnung 136 während des Einführens zu erreichen, kann ein anspruchsvolleres Modell verwendet werden, um die vom Mikrocontroller 310 erfassten Spannungssignale zu verarbeiten. Da sich ein bipolares Elektrodenpaar auf eine Gewebewand zu oder von ihr weg bewegt, ändern sich die Impedanzwerte fließend. Daher kann die Historie der Impedanzmessungen zusätzlich zum aktuellen Impedanzwert bei der Bestimmung der Nähe nützlich sein. Es gibt viele Möglichkeiten, diese Art von Heuristik zu implementieren, aber angesichts der Komplexität des modellierten Systems wird das Modul für maschinelles Lernen 322 verwendet. In diesem Beispiel ist das Modul für maschinelles Lernen 322 ein rekurrentes neuronales Netzwerk mit langem Kurzzeitgedächtnis (LSTM), das mit der Deep Learning Toolbox von MATLAB implementiert wurde.
In diesem Beispiel ist das neuronale Netz so konzipiert, dass es eine Folge von Werten (z. B. Impedanzen, die aus den gemessenen Differenzspannungen von Impulsen bestimmt werden, die während des Einführungszeitraums angelegt werden) als Eingaben annimmt und eine Auswahl aus einer von drei Klassen trifft, die der Nähe der Elektroden und damit der Elektrodenanordnung 136 und der Innenwand der inneren Scala Tympani entsprechen.
In diesem Beispiel stellen diese Näherungsklassen drei mögliche Standortregionen dar: eine „modiolare“ Region (definiert als weniger als 0,5 mm² zwischen den Elektroden dieses Kanals und der modiolaren Wand), eine „laterale“ Region (definiert als mehr als 1,0 mm² zwischen den Elektroden dieses Kanals und der modiolaren Wand) und eine „mittlere“ Region zwischen der lateralen und modiolaren Region (definiert als 0,5 mm² bis 1,0 mm² zwischen den Elektroden dieses Kanals und der modiolaren Wand). Auf der Grundlage der Trainingsdaten kann das Modul für maschinelles Lernen 322 weniger oder mehr Klassifizierungsregionen ausgeben. In diesem Beispiel erhielt die LSTM-Schicht 120 versteckte Einheiten, und das Netzwerk wurde mit zwei der drei zuvor erfassten Versuchsdatensätze trainiert. Der dritte Versuch wurde dann durch das Netzwerk geleitet, um seine Genauigkeit zu bewerten. Die Gesamtgenauigkeit lag bei über 93 %. Die modiolare Region wurde in 87,6 % der Fälle erfolgreich klassifiziert, die mittlere Region in 87,9 % der Fälle und die laterale Region in 96,1 % der Fälle. Das trainierte Netzwerk läuft in Echtzeit auf dem Modul für maschinelles Lernen 322, während neue Messungen vom Mikrocontroller 310 eingespeist werden.
Die Ausgabe kann auf beliebige Weise angezeigt werden, um dem Chirurgen in Echtzeit Rückmeldung über die Position eines Segments oder mehrerer Segmente der Implantatelektrode 136 zu geben. Die Rückmeldung kann beispielsweise Farben enthalten, um die Regionen anzuzeigen, oder eine grafische Anzeige mit einem Bild der Cochlea und der Position des Implantatarrays 136, die auf der Grundlage der Ausgabe des Moduls für maschinelles Lernen 322 bezüglich der Position der verschiedenen Segmente gerendert wird.
9 ist eine beispielhafte maschinenlesbare Anweisung für das System 300 zur Bestimmung der Nähe der Elektroden einer Elektrodenanordnung zu einer Gewebewand. In diesem Beispiel umfassen die maschinenlesbaren Anweisungen einen Algorithmus zur Ausführung durch: (a) einem Prozessor; (b) einem Steuergerät; und/oder (c) einer oder mehreren anderen geeigneten Verarbeitungsvorrichtung(en). Der Algorithmus kann in einer Software verkörpert sein, die auf einem greifbaren Datenträger wie einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer digital video (versatile) disk (DVD) oder anderen Speichergeräten gespeichert ist. Gewöhnliche Fachleute wissen jedoch, dass der gesamte Algorithmus und/oder Teile davon alternativ auch von einem anderen Gerät als einem Prozessor ausgeführt und/oder in bekannter Weise in Firmware oder spezieller Hardware verkörpert werden können (z. B. kann er von einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung [ASIC], einer programmierbaren logischen Schaltung [PLD], einer feldprogrammierbaren logischen Schaltung [FPLD], einer feldprogrammierbaren Gatter Schaltung [FPGA], diskreter Logik usw. implementiert werden). Beispielsweise können alle oder einige der Komponenten der Schnittstellen durch Software, Hardware und/oder Firmware implementiert werden. Auch können einige oder alle der maschinenlesbaren Anweisungen, die in den Flussdiagrammen dargestellt sind, manuell implementiert werden. Auch wenn der Beispielalgorithmus unter Bezugnahme auf das in dargestellte Flussdiagramm beschrieben wird, werden Fachleute, leicht erkennen, dass viele andere Methoden zur Implementierung der beispielhaften maschinenlesbaren Anweisungen alternativ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der beschriebenen Blöcke können geändert, eliminiert oder kombiniert werden.
Das Flussdiagramm 900 in 9 leitet die Standortbestimmung ein, indem es einen anfänglichen zweiphasigen Kalibrierungsstromimpuls durch einen ersten Kanal auslöst, der durch zwei Elektroden der Elektrodenanordnung 136 in definiert ist (910). Der Mikrocontroller prüft die Ausgangsspannung zwischen den Elektroden und dem Kanal (912). Der Mikrocontroller bestimmt dann die konstanten Koeffizienten durch Anpassung der Spannungsmesswerte an die erwartete Reaktion des Ersatzschaltbildmodells (914). Die ermittelten konstanten Koeffizienten für den Kanal werden dann im Speicher abgelegt (916). Die Routine ermittelt dann, ob noch weitere Kanäle vorhanden sind (918). Wenn weitere Kanäle vorhanden sind, kehrt die Routine in einer Schleife zum Senden eines Kalibrierungsimpulses (910) und zum Abrufen der konstanten Koeffizienten zurück.
Nachdem alle konstanten Koeffizienten bestimmt sind und somit keine weiteren Kanäle verbleiben (918), beginnt die Routine mit dem ersten Kanal und legt einen zweiphasigen Stromimpuls an die Elektroden des Kanals an (920). Die Routine misst dann die Differenzspannung an den Elektroden des Kanals (922). Die Routine berechnet dann die Impedanz, um den Zugangswiderstand zu bestimmen, und verwendet die Potenzfunktion und die gespeicherten konstanten Koeffizienten, um die Fläche zwischen dem durch die Elektroden des Kanals definierten Segment und der Wand der Cochlea zu bestimmen (924). Alternativ kann das Modul für maschinelles Lernen 322 verwendet werden, um die Fläche zwischen dem durch die Elektroden des Kanals definierten Segment und der Wand der Cochlea zu bestimmen. Die ermittelte Fläche wird mit der Zeit und dem Kanal korreliert und gespeichert (926).
Die Routine greift dann auf das Modul für maschinelles Lernen 322 zu, um die Klassifizierung der Echtzeitposition des Segments des Kanals auf der Grundlage der vorherigen Daten und der Eingabe des ermittelten Bereichs zu aktualisieren (928). Die Routine gibt dann die Näherungsklassen („modiolarer“ Bereich, „lateraler“ Bereich oder „mittlerer“ Bereich) für das Segment der Elektrodenanordnung 136 in Bezug auf den ausgewählten Kanal aus (930). Die Routine wählt dann den nächsten Kanal aus (932) und legt den zweiphasigen Stromimpuls an die Elektroden des nächsten ausgewählten Kanals an (920).
Das Ortungssystem 300 kann verwendet werden, um die endgültige Position der Elektrodenanordnung 136 relativ zur Cochlea 150 zu bestimmen. Eine weitere Anwendung für die oben beschriebenen Konzepte kann ein beispielhaftes automatisiertes Operationssystem sein, das das hier beschriebene Ortungssystem verwendet, um das Einsetzen des Implantats zu steuern. Das Ortungssystem und die Methode können auch für andere Arten von Implantaten verwendet werden, z. B. für die Rückenmarkstimulation oder die Tiefenhimstimulation. Auch wenn ein Stromimpuls angelegt und eine Differenzspannung gemessen wird, um die Nähe des Implantats zur biologischen Struktur von Interesse zu bestimmen, kann auch ein Spannungsimpuls an die Elektroden angelegt und ein Strom zur Bestimmung der Nähe gemessen werden.
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Wenn hier ein Wert oder mehrere Werte als Teil der Technologie angegeben werden, können diese Werte, sofern nicht anders angegeben, Näherungswerte sein, und diese Werte können bis zu einer geeigneten signifikanten Ziffer verwendet werden, soweit eine praktische technische Umsetzung dies erlaubt oder erfordert.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Technologie gehört, gemeinhin verstanden wird. Obwohl alle Methoden und Materialien, die den hier beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, auch in der Praxis oder bei der Prüfung der vorliegenden Technologie verwendet werden können, wird hier eine begrenzte Anzahl von beispielhaften Methoden und Materialien beschrieben.
Wenn ein bestimmtes Material für die Herstellung einer Komponente angegeben ist, können offensichtliche alternative Materialien mit ähnlichen Eigenschaften als Ersatz verwendet werden. Sofern nicht anders angegeben, können alle hierin beschriebenen Komponenten hergestellt werden und können als solche zusammen oder getrennt hergestellt werden.
Es ist zu beachten, dass die hier und in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Singularformen „ein, eine, einer“ und „der, die, das“ ihre Pluraläquivalente einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt.
Alle hierin erwähnten Veröffentlichungen sind durch Verweis in ihrer Gesamtheit inkorporiert, um die Methoden und/oder Materialien, die Gegenstand dieser Veröffentlichungen sind, offenzulegen und zu beschreiben. Die hier besprochenen Veröffentlichungen werden ausschließlich für ihre Offenlegung vor dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung zur Verfügung gestellt. Nichts hierin ist als ein Eingeständnis zu verstehen, dass die vorliegende Technologie nicht berechtigt ist, einer solchen Veröffentlichung aufgrund einer früheren Erfindung vorauszugehen. Außerdem können die angegebenen Veröffentlichungsdaten von den tatsächlichen Veröffentlichungsdaten abweichen, die gegebenenfalls unabhängig bestätigt werden müssen.
Die in der ausführlichen Beschreibung verwendeten Themenüberschriften dienen nur der leichteren Orientierung des Lesers und sollten nicht dazu verwendet werden, den in der Offenbarung oder in den Ansprüchen enthaltenen Gegenstand einzuschränken. Die Themenüberschriften sollten nicht für die Auslegung des Umfangs der Ansprüche oder der Anspruchsbegrenzungen verwendet werden.
Obwohl die hier beschriebene Technologie anhand bestimmter Beispiele erläutert wurde, sollen diese Beispiele lediglich die Grundsätze und Anwendungen der Technologie veranschaulichen. In einigen Fällen können die Terminologie und die Symbole spezifische Details andeuten, die für die Anwendung der Technologie nicht erforderlich sind. Obwohl beispielsweise die Begriffe „erster“ und „zweiter“ verwendet werden können, sind sie, sofern nicht anders angegeben, nicht als Hinweis auf eine bestimmte Reihenfolge zu verstehen, sondern können zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Elementen verwendet werden. Auch wenn die Verfahrensschritte in den Methoden in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben oder dargestellt werden, ist eine solche Reihenfolge nicht erforderlich. Der Fachmann wird erkennen, dass diese Reihenfolge geändert werden kann und/oder Aspekte davon gleichzeitig oder sogar synchron durchgeführt werden können.
Es versteht sich daher, dass zahlreiche Änderungen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden können und dass andere Anordnungen erdacht werden können, ohne von Geist und Umfang der Technologie abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/835912 [0001]

Claims

Ein Ortungssystem für ein Implantat, das Folgendes umfasst: ein Implantat mit einer Elektrodenanordnung, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobei die Elektrodenanordnung in ein elektrisch leitendes Volumen in der Nähe einer Struktur von Interesse in einem Patienten eingesetzt werden kann; einen Impulsgenerator, der einen Stromimpuls an der ersten und zweiten Elektrode erzeugt; ein Steuergerät, das mit der ersten und zweiten Elektrode und dem Impulsgenerator gekoppelt ist, wobei das Steuergerät in der Lage ist: die Differenzspannung zwischen dem Elektrodenpaar während des Stromimpulses zu messen; und die Nähe zwischen der Struktur von Interesse und einem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zu bestimmen.
Das Ortungssystem nach Anspruch 1, wobei das Implantat ein Cochlea-Implantat ist, das in eine Scala Tympani einer Cochlea eingesetzt werden kann, und wobei die Nähe relativ zu einer Innenwand der Scala Tympani der Cochlea bestimmt wird.
Das Ortungssystem nach Anspruch 2, wobei die erste Elektrode in der Nähe einer Spitze der Elektrodenanordnung angeordnet ist, wobei die Spitze zuerst in die Cochlea eingeführt wird.
Das Ortungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenanordnung eine dritte Elektrode enthält.
Das Ortungssystem nach Anspruch 4, das ferner einen Multiplexer mit einem Steuereingang, der mit dem Steuergerät gekoppelt ist, und einem Eingang, der mit dem Impulsgenerator gekoppelt ist, sowie wählbare Eingänge/Ausgänge, die mit den Elektroden gekoppelt sind, umfasst, wobei das Steuergerät in der Lage ist: den Multiplexer zu steuern, um die Eingänge des Impulsgenerators von der ersten und zweiten Elektrode auf die zweite und dritte Elektrode umzuschalten; die Erzeugung eines Stromimpulses von dem Impulsgenerator zu der zweiten und dritten Elektrode zu bewirken; die Differenzspannung zwischen der zweiten und dritten Elektrode während des Stromimpulses zu messen; und die Nähe zwischen der Struktur von Interesse und einem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode zu bestimmen.
das Ortungssystem nach Anspruch 4, das ferner einen zweiten Impulsgenerator umfasst, dessen Steuereingang mit dem Steuergerät verbunden ist und dessen Ausgänge mit der zweiten und der dritten Elektrode verbunden sind, wobei das Steuergerät in der Lage ist: die Erzeugung eines Stromimpulses vom zweiten Impulsgenerator zur zweiten und dritten Elektrode zu veranlassen; die Differenzspannung zwischen der zweiten und dritten Elektrode während des Stromimpulses zu messen; und die Nähe zwischen der Struktur von Interesse und einem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode zu bestimmen
das Ortungssystem nach Anspruch 1, wobei der Stromgenerator eine Konstantstromquelle und einen Schalttransistor enthält, der vom Impulsgenerator gesteuert wird, um die Leistung der Konstantstromquelle für eine vorbestimmte Dauer festzulegen.
das Ortungssystem nach Anspruch 1, wobei der Stromimpuls ein zweiphasiger Impuls mit einer positiven und einer negativen Phase ist und die Differenzspannung während der positiven Phase gemessen wird.
das Ortungssystem nach Anspruch 1, das ferner ein maschinelles Lernmodul umfasst, das mit dem Steuergerät gekoppelt ist, wobei das maschinelle Lernmodul in der Lage ist: Differenzspannungsdaten über einen Zeitraum zu sammeln; zu lernen, die Nähe der ersten und zweiten Elektrode auf der Grundlage der gesammelten Differenzspannungsdaten zu klassifizieren; und eine klassifizierte Nähe der Elektrodenanordnung relativ zu der Struktur von Interesse auf der Grundlage der Differenzspannung auszugeben.
das Ortungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät ferner in der Lage ist: konstante Werte in Bezug auf die ersten beiden Elektroden auf der Grundlage der Bestimmung eines anfänglichen Zugangswiderstands aus einer zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bei einem konstanten Strom gemessenen Differenzspannung zu kalibrieren; und die kalibrierten konstanten Werte zu speichern; und wobei die Nähe auf der Grundlage der kalibrierten konstanten Werte bestimmt wird.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Implantats relativ zu einer Struktur von Interesse, wobei das Implantat eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Einsetzen der Elektrodenanordnung in ein elektrisch leitfähiges Volumen in der Nähe der Struktur von Interesse; Anlegen eines von einem Impulsgenerator erzeugten Stromimpulses zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; Messen der Differenzspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, während der Stromimpuls angelegt wird; und Bestimmen der Nähe zwischen der Struktur von Interesse und einem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Implantat ein Cochlea-Implantat ist, das in eine Scala Tympani einer Cochlea eingesetzt werden kann, und wobei die Nähe relativ zu einer Innenwand der Scala Tympani der Cochlea bestimmt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Elektrode in der Nähe einer Spitze der Elektrodenanordnung angeordnet ist, wobei die Spitze zuerst in die Cochlea eingeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Elektrodenanordnung eine dritte Elektrode enthält.
Das Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst: Steuern eines Multiplexers, um den Impulsgenerator von der ersten und zweiten Elektrode auf die zweite und dritte Elektrode umzuschalten; Anlegen eines Stromimpulses an die zweite und dritte Elektrode; Messen der Differenzspannung zwischen der zweiten und dritten Elektrode während des Stromimpulses; und Bestimmen der Nähe zwischen der Struktur von Interesse und einem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode.
Das Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst: Anlegen eines von einem zweiten Impulsgenerator erzeugten Stromimpulses an die zweite und dritte Elektrode; Messen der Differenzspannung zwischen der zweiten und dritten Elektrode während des Stromimpulses; und Bestimmen der Nähe zwischen der Struktur von Interesse und einem Segment der Elektrodenanordnung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode auf der Grundlage der Differenzspannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Impulsgenerator einen zweiphasigen Impuls erzeugt, wobei der Impulsgenerator eine Konstantstromquelle und einen Schalttransistor enthält, der von dem Impulsgenerator gesteuert wird, um die Leistung der Konstantstromquelle für eine vorbestimmte Dauer festzulegen.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der zweiphasige Stromimpuls eine positive Phase und eine negative Phase umfasst und wobei die Differenzspannung während der positiven Phase gemessen wird.
Das Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Sammeln von Differenzspannungsdaten über einen Zeitraum; Trainieren eines maschinellen Lernmoduls, um die Nähe der ersten und zweiten Elektrode auf der Grundlage der gesammelten Differenzspannungsdaten zu klassifizieren; und Über das maschinellen Lernmodul eine klassifizierte Nähe der Elektrodenanordnung relativ zu der Struktur von Interesse auf der Grundlage der Differenzspannung ausgeben.
Das Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Kalibrieren konstanter Werte in Bezug auf die ersten beiden Elektroden auf der Grundlage der Bestimmung eines anfänglichen Zugangswiderstands aus einer zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bei einem konstanten Strom gemessenen Differenzspannung; und Speichern der kalibrierten konstanten Werte, und wobei die Nähe auf der Grundlage der kalibrierten konstanten Werte bestimmt wird.